頔塘碑亭碳化腐蚀再碱化修复现场实验研究

童芸芸,马 超，叶 良，吕伟加

(1.浙江科技学院 土木与建筑工程学院，杭州 310023；2.杭州聚代科技有限公司，杭州 310011)

頔塘碑亭碳化腐蚀再碱化修复现场实验研究

童芸芸1,马 超1，叶 良1，吕伟加2

(1.浙江科技学院 土木与建筑工程学院，杭州 310023；2.杭州聚代科技有限公司，杭州 310011)

为了对再碱化技术的现场应用进行深入的研究，选取浙江省湖州市頔塘碑亭碳化钢筋混凝土栏杆构件作为实验对象，依据欧洲相关技术规范对该栏杆进行外加电源式再碱化修复处理，并在修复后1个月、7个月和12个月对再碱化处理的效果进行跟踪测试与分析评估。结果表明，再碱化处理可以有效地提高混凝土保护层的碱性，降低钢筋的腐蚀概率，并且在1年的时间内有较好的耐久性，同时没有引起明显的副作用。该研究为再碱化技术在钢筋混凝土历史文物建筑修复领域的应用与推广提供了实验依据和工程经验。

再碱化技术；碳化钢筋混凝土；碱性；腐蚀电位；耐久性

浙江省湖州市頔塘与苏杭古运河相通，为“黄金水道”——长湖申航道中心。北岸为318国道，联结上海、苏州、嘉兴等城市。塘堤两侧荡漾棋布，桑田遍野，盛产蚕丝和水稻。因此，頔塘是湖州市重要的水利设施之一，也是水陆交通要道。頔塘碑亭建于1929年，是中国最早的钢筋混凝土建筑之一。经过87年的历史，该碑亭的钢筋出现了腐蚀现象，部分混凝土保护层也严重剥落。现场勘探检测结果显示，混凝土保护层的碳化是导致该碑亭钢筋混凝土腐蚀破坏的最主要原因，这个现象在近百年的历史文物建筑中并不少见。

针对钢筋混凝土结构建筑的碳化腐蚀破坏情况，传统挖补技术是剔除已碳化的混凝土和修补混凝土等[1-2]，此法适用于非大面积混凝土保护层严重剥落的建筑结构。对于类似于湖州市頔塘碑亭这样的文物保护建筑，上述这些方法会对建筑物本身产生较大破坏或者改变其作为文物本身的价值，因而不适用。在这样的前提下，20世纪70年代末兴起的电化学再碱化修复技术便凸显其适用于文物保护建筑的无损修复的优点了。

再碱化技术通过无损伤的电化学处理达到提高再碱化碳化混凝土的碱性，降低钢筋腐蚀活性甚至再钝化钢筋的目的。具体实施方法是：钢筋连接电源负极作为电化学系统中的阴极，辅助阳极网连接电源正极，混凝土表面覆盖碱性电解质液。在这个电化学系统中，电源施加一定的直流电，经过一周左右的时间，达到需要的总电量后，切断电源。

从理论上分析，由于钢筋周围水的电解和碱性电解质液渗入混凝土保护层等原因，经过再碱化处理后的混凝土碱性会有所上升[2-5]。再碱化技术的有效性已经得到国内外广大研究人员的认可[2-9]，并且已经在美国和欧洲得到越来越广泛的工程应用。但是作为一项新兴技术，再碱化处理在中国还处于实验室研究阶段[1，10-24]。

再碱化技术能够从根本上修复钢筋的腐蚀，改善混凝土保护层的碱性环境，显著提高钢筋混凝土结构的耐久性，而且操作方便，环境友好，特别适用于大面积碳化混凝土结构或需要保护的历史文物的修复。为了进一步开展再碱化技术的工程应用研究，本课题选取了湖州市頔塘碑亭的局部栏杆构件作为研究对象，开展再碱化技术的现场实验，并对修复效果进行了维持1年的测试跟踪。

1 现场实验方案设计及过程

1.1 电化学再碱化处理现场实验

本实验选取浙江省湖州市頔塘碑亭的一个钢筋混凝土栏杆构件(图1)，采用外加电源方式对构件进行再碱化处理。该再碱化处理的电化学用钢丝网作为电化学系统的阳极，两根平行的直径为10 mm的螺纹钢作为阴极，碳酸钾质量浓度为40 g/L，pH值10.4的K2CO3溶液作为电解质，再外加一个直流电源。首先将构件内的两根钢筋通过电线串联，并接入电源负极，然后在构件表面贴敷饱含电解质液的纸纤维，并将作为阳极的钢丝网绑扎在构件四周且包裹于纸纤维内。最后，连接钢丝网与电源正极。

图1 頔塘碑亭栏杆构件的外加电源式再碱化处理现场实验Fig.1 Field of realkalization treatment by impressed current on railing of Ditang pavilion

电解质纸纤维所覆盖的钢筋长度为48 cm，因此，作为阴极的钢筋实际有效面积为2×(π×1×48)≈301 cm2。根据欧洲相关技术规范建议的电流密度和总电量[25]：钢筋表面单位面积(m2)上通过的电流应为1 A，总电量应为200 A·h，因此，外加电源(强加)的电流大小应为1 A/m2×301 cm2≈30 mA，处理的时间相为200 A·h/1A=200 h，即8天半左右(2014-08-19T18:00至2014-08-28T8:00)。实验过程中，现场工作人员每天早晚各1次定时喷洒饱和电解质液，以保持电解质纸纤维的湿润。同时，工作人员每天记录直流电源显示的电流和电压数据，外加电源输送的直流电为30 mA，初始电压为2.9 V。之后外加电流大小稳定在30 mA，电压值随着混凝土保护层电阻的变化而浮动(表1)，直至2014-08-28T8:00断电。从通电开始到第5天，电压逐渐增大，这应该是由于夏天天气炎热，即使每天早晚各浇1次水，混凝土保护层也逐渐干燥，电阻慢慢变大。第5天后电压又逐渐减小，这应该是由于再碱化处理后电解质液进入混凝土保护层的原因。

表1 再碱化处理过程中电流和电压的变化Table 1 Variation of current and voltage during realkalization treatment

1.2 实验效果跟踪

本实验采用了3种测试分析方法对再碱化处理的效果进行跟踪：酚酞颜色指示剂方法测试混凝土的碱性，钢筋自然腐蚀电位法评估钢筋的腐蚀概率，以及扫描电镜法分析混凝土的微观结构。

1.2.1 酚酞颜色指示剂法

混凝土保护层再碱化的效果跟踪采用酚酞颜色指示剂(1 g酚酞溶于100 mL体积分数为95%的乙醇)测试法。将酚酞试剂喷洒在经水湿润后的混凝土表面，如果呈无色，说明混凝土的pH值小于9；如果呈粉红色，说明混凝土的pH值大于9。

1.2.2 钢筋自然腐蚀电位法

本实验利用瑞士Proceq公司的Canin+钢筋锈蚀仪(图2)跟踪再碱化处理前后钢筋的自然腐蚀电位的变化。Canin+钢筋锈蚀仪采用半电池锈蚀电位法测量钢筋的电场电位，参比电极为棒式饱和硫酸铜参比电极，其相对标准氢电极(SHE)的开路电位是316 mV。根据ASTM C876-91[26]经验值，由钢筋的自然腐蚀电位可初步判定钢筋的腐蚀概率(表2)。钢筋的自然腐蚀电位负值越大，钢筋的腐蚀概率越大，腐蚀活性也越高。

图2 Canin+钢筋锈蚀仪Fig.2 Canin+ corrosion analysis

表2 钢筋自然腐蚀电位与腐蚀概率的关系(ASTM C876-91；饱和硫酸铜参比电极)Table 2 Relationship between rest corrosion potential of steel rebars and corrosion probability (ASTM C876-91；CSE reference electrode)

1.2.3 混凝土微观结构分析法

本实验采用日立TM3000台式扫描电子显微镜(图3)，观察倍数为15～30 000倍，加速电压为5 kV或15 kV可选。该扫描电子显微镜具备高灵敏度四分割背散射探头，并有普通模式和消除荷电模式两种拍摄模式。消除荷电模式亦称为低真空模式，这种观察模式可以实现对大多数样品的直接观察，尤其是不导电样品，比如混凝土样品。TM3000台式扫描电子显微镜允许观察的最大样品直径为70 mm，最大样品厚度为50 mm。本实验混凝土样品都切割为10 mm×10 mm×10 mm的立方体块。

图3 TM3000台式扫描电子显微镜Fig.3 TM3000 tabletop scanning electron microscope

2 工程实验结果与分析

本实验依据欧洲相关技术规范对浙江省湖州市頔塘碑亭碳化钢筋混凝土栏杆构件进行外加电源式的再碱化修复处理，并在修复后1个月、7个月和12个月对实验效果进行跟踪测试与分析评估。

2.1 混凝土的碱性

现场应用酚酞试剂(1 g酚酞溶于100 mL体积分数为95%的乙醇)喷洒于湿润的混凝土表面，酚酞测试结果显示了再碱化处理前,以及再碱化处理后1个月、7个月和12个月混凝土碱性的变化(图4)。

图4 酚酞测试Fig.4 Phenolphthalein tests

酚酞测试的结果表明，再碱化处理前，钢筋周围的混凝土呈无色，说明混凝土保护层已经完全被碳化。再碱化处理后1个月、7个月和12个月混凝土保护层在喷洒酚酞试剂后都显示明显的粉红色，证明修复后混凝土的碱性显著提高，并且这个提高的碱性在1年时间内没有降低，有一定的耐久性。

2.2 钢筋的自然腐蚀电位

现场在杆件两根钢筋上各等间距取3个点，应用Canin+钢筋锈蚀仪在再碱化处理前及再碱化处理后1个月、7个月和12个月检测钢筋的自然腐蚀电位。表3中的数据取自每根钢筋上3个等间距点测试结果的平均值，它们的标准偏差(表4)都小于20 mV。表4中所有的数值均为相对于饱和硫酸铜电极电势。

测试结果表明，再碱化处理前，钢筋1的自然腐蚀电位在-266.7 mV，钢筋2的自然腐蚀电位在-208.3 mV，两根钢筋的腐蚀概率都较大(>90%)。再碱化处理后1个月，钢筋1的自然腐蚀电位在-124 mV，比处理前提高了约123 mV，钢筋2的自然腐蚀电位在-90.7 mV左右，比处理前提高了117 mV左右。两根钢筋的腐蚀概率都明显下降。再碱化处理后7个月和12个月，钢筋1的自然腐蚀电位分别为-130 mV和-132 mV，钢筋2的自然腐蚀电位分别为-100.3 mV和-110 mV，这说明两根钢筋在处理后1年时间内腐蚀概率保持较低水平，耐久性较好。

表3 再碱化处理前后钢筋自然腐蚀电位Table 3 Rest corrosion potential of steel rebars before and after realkalization treatment mV

表4 再碱化处理前后每根钢筋上3个测试点腐蚀电位测试值的标准偏差Table 4 Standard deviation of corrosion potential values on three points of each steel rebars before and after realkalization treatment mV

2.3 混凝土的微观结构

再碱化处理后7个月，在现场对再碱化处理过的栏杆构件和未经再碱化处理过的栏杆构件进行混凝土取样，切割为10 mm×10 mm×10 mm的立方体块，实验室应用扫描电子显微镜分析混凝土微观结构的变化。未经再碱化处理的混凝土样品上呈现出明显的碳化混凝土的微观结构(图5(a)、(b))。再碱化处理后，混凝土的微观结构与未经处理的碳化混凝土的微观结构相比较并没有明显的区别(图5(c)、(d))。图5(d)中的裂缝应该是由于取样造成的。另外，也没有发现具有膨胀性破坏的碱-硅酸凝胶。再碱化处理过程中钾离子会在电场作用下进入混凝土保护层，可能会引起对混凝土有危害的碱骨料反应，但是在本实验中并没有出现这样的副作用。

上述现场实验和实验室分析测试结果表明，再碱化修复后1年时间内，混凝土保护层的碱性明显上升，钢筋的腐蚀概率显著下降，并且没有引起明显的副作用。

3 结论与分析

电化学再碱化技术在中国还处于实验室研究阶段，本课题组第一次尝试开展了再碱化技术的小规模现场实验研究，实验结果表明：

1)依据欧洲相关技术规范的外加电源式电化学再碱化处理，可以在实际钢筋混凝土结构构件成功实施，处理过程中电流值保持稳定，电压值随着混凝土保护层的干燥、湿润及电解质液的渗入而变化。

2)再碱化处理可以有效地提高碳化混凝土的碱性，并且这个提高的碱性在1年内没有降低，有一定的耐久性。

3)再碱化处理后，混凝土内钢筋的自然腐蚀电势提高了120 mV左右，钢筋的腐蚀概率明显减小，腐蚀活性降低，并且钢筋的腐蚀概率在处理后1年内保持较低水平，耐久性较好。

4)再碱化处理没有对混凝土产生明显的副作用。

4 结 语

综上所述，电化学再碱化技术在修复钢筋混凝土碳化腐蚀的工程中，成本低，施工简单，对原结构无损伤，耐久性好，环境友好。较传统的材料填充技术，有明显的经济效益和社会效益，特别适用于需要保护的历史文物建筑。本课题组会继续对浙江省湖州市頔塘碑亭再碱化处理的耐久性进行长期的跟踪，为该技术在钢筋混凝土历史文物建筑修复领域的推广与应用提供实验依据和工程经验。

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Field experiment study of realkalization rehabilitation for corrosion due to carbonation of Ditang pavilion

TONG Yunyun1, MA Chao1, YE Liang1, LYU Weijia2

(1. School of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Science and Technology,Hangzhou 310023, China；2. Hangzhou Judai Technology Co. Ltd., Hangzhou 310011, China )

A realkalization rehabilitation treatment by impressed current is applied on one reinforced concrete railing of Ditang pavilion according to the Europe technology specifications in order to study the field test of realkalization technology. The treatment efficiency is followed and analyzed one month, seven months and twelve months after the treatment. The results show that the realkalization treatment can increase the alkalinity of concrete cover and decrease the corrosion probability of steel rebars. One-year durability of the treatment is also confirmed. Moreover, no side effect on concrete is detected after treatment. The study provides laboratory analysis basis and on site experience for the treatment application and promotion on historical monuments of reinforced concrete structure.

realkalization technology; carbonated reinforced concrete; alkalinity; corrosion potential; durability

10.3969/j.issn.1671-8798.2016.06.001

2016-12-08

浙江省自然科学基金青年基金项目(LQ14E080008)；国家自然科学基金青年科学基金项目(51408546)；浙江省文物保护科技项目(2015018)；浙江省公益性技术应用研究计划项目(2015C33058)

童芸芸(1978— )，女，浙江省杭州人，副教授，博士，主要从事钢筋混凝土的耐久性研究。

TB302.2；TU-87

A

1671-8798(2016)06-0413-07